王榮興，王志平，白劍波

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，江蘇常州 213164)

數(shù)控系統(tǒng)是機床的“大腦”和控制樞紐，提高國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的綜合性能，有利于我國制造業(yè)的長遠發(fā)展。目前，國產(chǎn)與國外數(shù)控系統(tǒng)的性能差距顯著縮小，但國外品牌依然占領(lǐng)國內(nèi)市場［1］。為檢驗數(shù)控系統(tǒng)的性能，通常在數(shù)控機床上直接加工包含圓弧、直線、斜線、直線和圓弧相切或相交的綜合試件，然后檢測試件的尺寸精度。例如世界著名的汽車制造商梅賽德斯-奔馳公司選用數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是其必須在機床上合格地加工出所設(shè)計的特殊測試零件［2］。在機床上加工測試件，其檢測結(jié)果包含數(shù)控裝置精度、位置伺服系統(tǒng)精度、機床機械精度 (如主軸、刀架、工作臺回轉(zhuǎn)精度、刀具、工件裝夾精度等)、加工工藝、測試方法和工具等［3］。檢測機床圓運動的軌跡精度不僅可以獲得與機床的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息，還可以獲得與進給速度和伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動態(tài)誤差分量的信息，包括伺服增益不匹配及由于伺服響應(yīng)滯后引起的誤差等［4］。在采用相同的機床、加工工藝、測試方法和工具情況下，使用不同的數(shù)控系統(tǒng)來加工測試件，其綜合加工性能將有效地反映數(shù)控系統(tǒng) (數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng))間的性能差異。文中利用國內(nèi)外不同數(shù)控系統(tǒng)機床加工試件，比較了試件間的綜合加工精度，研究了國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)綜合加工性能的差異，為用戶選用數(shù)控系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試件準(zhǔn)備

試件材料LY12，具有強度高、有一定耐熱性的特點。其化學(xué)成分:wCu=3.8% ～4.9%，wSi=0.5%，wFe=0.5%，wMn=0.3% ～0.9%，wMg=1.2% ～1.8%，wZn=0.25%，wCr=0.1%，wTi=0.15%，余量為Al。其力學(xué)性能:抗拉強度σb≥470 MPa，屈服強度σ0.2≥325 MPa，伸長率δ≥10%，硬度HB 120。根據(jù)“精加工試件精度檢驗標(biāo)準(zhǔn)”確定試件形狀［5］，如圖1所示，相關(guān)尺寸見表1。

圖1 試件

表1 試件尺寸 mm

1.2 加工工藝

實驗用機床為VDF-850立式加工中心，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，最快切削進給速度7 600 mm/min，主軸功率11 kW。加工刀具:φ32三刃立銑刀，HLD刀桿，KORLOY鋁用刀片;固定刀桿微調(diào)精鏜刀，新馬鏜桿，KORLOY鋁用鏜刀片。精加工余量0.2 mm。試件加工工藝參數(shù)見表2。

表2 試件加工工藝參數(shù)

1.3 分析方法

分別在數(shù)控系統(tǒng)為HNC-210B、FANUC-0iMC的VDF-850立式加工中心上進行鋁合金試件的切削，切削前不同系統(tǒng)的加工中心同時開機2 h;使用ZEISS PRISMO型三坐標(biāo)測量儀測量各試件的直線度、傾斜度、位置度、同軸度、垂直度和平行度等公差，玻璃陶瓷光柵尺分辨率0.04 μm，VAST GOLD檢測精度:MPE_E=(0.9+L/350)μm、MPE_P=1.0 μm、MPE_THP=1.9 μm/50 s，蔡司 RDS高效旋轉(zhuǎn)探測器:兩軸360°旋轉(zhuǎn)、步距角2.5°，Taster球形測針(測尖球徑φ3 mm，柄長58 mm)，使用Taylor Hobson Talyrond 365圓度儀測量各試件φ108 mm的圓度和同軸度，標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍18～22℃、溫度梯度1℃/h;用方差分析對所測數(shù)據(jù)進行分析，研究HNC-210B和FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工性能的差異。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 直線度測量結(jié)果與分析

圖2(a)所示為HNC-210B直線度和傾斜度測量結(jié)果，圖2(b)所示為FANUC-0iMC直線度和傾斜度測量結(jié)果。所有直線度測量結(jié)果如表3所示。兩系統(tǒng)所有直線度均相等，系統(tǒng)間無差異。

圖2 ZEISS三坐標(biāo)測量儀測量的直線度和傾斜度

表3 直線度測量結(jié)果 mm

2.2 傾斜度測量結(jié)果與分析

傾斜度測量結(jié)果如表4所示，HNC-210B系統(tǒng)和FANUC-0iMC系統(tǒng)各有兩項超差。使用單因素方差分析，F(xiàn)=0.007 739，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.931 638＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣傾斜度的差異不顯著。

表4 傾斜度測量結(jié)果 mm

表5 傾斜度方差分析

2.3 位置度和同軸度測量結(jié)果與分析

位置度測量結(jié)果如表6所示，所有結(jié)果均符合要求。使用單因素方差分析 (見表7)，F(xiàn)=1.722 702，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.237 315＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣位置度的差異不顯著。

表6 四孔位置度和同軸度測量結(jié)果 mm

表7 位置度方差分析

同軸度測量結(jié)果如表6所示，所有結(jié)果均符合要求。使用單因素方差分析 (見表8)，F(xiàn)=0.264 371，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.625 515＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣同軸度的差異不顯著。

表8 同軸度方差分析

2.4 其他形位公差測量結(jié)果與分析

其他形位公差測量結(jié)果如表9所示。HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的平行度、垂直度、同軸度和圓柱度公差均在允許范圍內(nèi)，差異不顯著。

表9 其他形位公差測量結(jié)果 mm

2.5 圓度測量結(jié)果與分析

試樣圓度測量如圖3、4所示，測量結(jié)果為:HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的圓度為0.014 89 mm，同軸度為0.001 0 mm;FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的圓度為0.014 17 mm，同軸度為0.001 4 mm，兩試樣的圓度和同軸度公差均在允許范圍內(nèi)，差異不顯著。從圖3、4中可以看出:兩圓輪廓均存在少量的誤差，在過象限時都出現(xiàn)了波動。究其原因:(1)伺服系統(tǒng)存在跟隨誤差，減小每個進給軸的跟隨誤差成為提高零件輪廓加工精度的關(guān)鍵［6］;(2)過象限時伺服軸突然反向運動，由于機械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起定位輪廓誤差。改善這些問題的方法之一是通過調(diào)整速度環(huán)參數(shù)來改善電機誤差的響應(yīng)性，即調(diào)整驅(qū)動器的比例增益和積分時間的響應(yīng)，同時對控制指令響應(yīng)的加減速也作相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整以上參數(shù)后，過象限現(xiàn)象狀況改善，但不可能消除。將速度環(huán)參數(shù)調(diào)整到最佳后，繼續(xù)調(diào)整位置環(huán)參數(shù)，主要是調(diào)整前饋系數(shù)。在不用預(yù)讀功能時，過象限現(xiàn)象有了明顯改善。但是不加預(yù)讀功能，機床的加工速度又明顯降低，使機床加工效率下降。效率和精度成為一對矛盾，這時候就要從機床參數(shù)方面找到一個速度和精度的結(jié)合點，即在保證精度的前提下，盡量加快機床的工作速度［7］。改善這些問題的方法之二是采用過象限誤差補償，即在過象限處，數(shù)控系統(tǒng)自動對機床軸加入額外的補償值，即在軸的過象限處預(yù)先加入額外的速度設(shè)定值脈沖，減小軸突然反向運動中由于機械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起的定位輪廓誤差，保證在加工時，尤其是加工圓弧軌跡時獲得更高的加工輪廓精度。過象限誤差補償?shù)难a償依據(jù)是測量系統(tǒng)反饋值和指令值間的偏差。因而只有當(dāng)被測量機床軸具有直接測量系統(tǒng) (直線光柵或圓光柵)時，才能反映出真實的誤差情況。在開始過象限誤差補償之前，驅(qū)動必須是已經(jīng)優(yōu)化過的，包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)和前饋等的優(yōu)化［8］。不管采用哪種方法，都只能減小而不能消除圓弧輪廓的誤差和波動。

圖3 HNC-210B試樣圓度測量結(jié)果

圖4 FANUC-0iMC試樣圓度測量結(jié)果

3 結(jié)論

通過使用ZEISS三坐標(biāo)測量儀和Taylor圓度儀對HNC-210B和FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)綜合加工試樣的測量及數(shù)據(jù)分析表明:兩試件的直線度完全相同;傾斜度F=0.007 739＜Fcrit，Pvalue=0.931 638＞0.05;位置度F=1.722 702＜Fcrit，Pvalue=0.237 315＞0.05;同軸度F=0.264 371＜Fcrit，Pvalue=0.625 515＞0.05;兩試樣的圓度分別為0.014 89和0.014 17 mm，同軸度分別為0.001 0和0.001 4 mm，均在公差范圍內(nèi)。國產(chǎn)HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與國外FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)之間的綜合加工性能的差異不顯著，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)達到了FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)的綜合加工性能水平。

［1］盧燕明，張淼.國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的根本出路是走出市場鏈條的“怪圈”［J］.金屬加工:冷加工，2010(5):14-19.

［2］奚長浩.數(shù)控裝置技術(shù)指標(biāo)的檢測技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［3］劉梅梅.圣維數(shù)控系統(tǒng)測試平臺技術(shù)研究［D］.綿陽:中國兵器科學(xué)研究院(第58所)，2006.

［4］趙國勇.數(shù)控系統(tǒng)運動平滑處理、伺服控制及輪廓控制技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006.

［5］全國金屬切削機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T18400.7-2010加工中心檢驗條件第7部分:精加工試件精度檢驗［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010-11-10.

［6］孫興偉，董蔚，王可，等.數(shù)控機床伺服系統(tǒng)跟隨誤差對加工輪廓的影響［J］.制造技術(shù)與機床，2010(6):76-78.

［7］楊進民.數(shù)控銑床過象限現(xiàn)象分析與解決［J］.機床與液壓，2011，39(18):116-118.

［8］顧向清.SINUMERIK840D自動過象限誤差補償QEC的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機床，2010(6):164-167.